Биопластики на основе натуральных биополимеров

XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Биопластики на основе натуральных биополимеров

Васильев З.Д. 1
1МАОУ АСОШ №2
Аюрова Э.М. 1
1МАОУ АСОШ №2
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Нас повсеместно окружают предметы из пластика и пластмасс, либо покрытые пластиковыми пленками. Это неудивительно: пластики - удобные, технологичные, долговечные и во многих случаях незаменимые материалы.

Однако удобство и технологичность оборачиваются глобальной проблемой пластикового загрязнения. Пластик не разрушается в живой природе, медленно и не полностью разлагается под действием химических (кислород воздуха) и физических (солнечный свет, температура) факторов среды. Мусор, попадая в природу - воду или почву, копится и загрязняет природу. Животные, птицы и рыбы гибнут, съедая яркие пластиковые обрывки и детали или запутываясь в пластиковых лентах. Особенно опасно, что пластик распадаясь на микропластик, попадает в живые организмы, в продукты питания и организм человека. Это огромная проблема, ведь никто не может предсказать последствия.

При этом многие изделия из пластика имеют очень короткий срок службы: упаковочные материалы, пакеты, одноразовая посуда, средства гигиены с пластиковыми элементами, влажные салфетки, бутылки для напитков, мешки для сбора бытового мусора. Такой мусор ежедневно увеличивает «запасы» мирового мусора

Есть ли пути решения проблемы «вечного» пластикового мусора? Можно ли создать материалы, сочетающие в себе удобные качества синтетических пластиков с легкостью переработки биологических (натуральных) материалов - биопластики? Если да, то почему проблема пластикового загрязнения остается актуальной?

Цель нашей работы: изучить в теории и на практике, что такое биопластики, оценить, могут ли они помочь в решении экологических проблем, связанных с пластиковым загрязнением планеты.  

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

  1. изучить литературу по теме;

  2. установить, что скрывается под терминами "пластик", "биопластик", "биоразлагаемые материалы", в чем разница между ними, их преимущества и недостатки;

  3. получить несколько видов биопластика и оценить их свойства;

  4. сделать выводы и дать рекомендации.

Объект исследования:биопластики на основе натуральных веществ.

Предмет исследования:методы получения и свойства биопластиков на основе натуральных веществ.

Методы исследования: теоретический, эмпирический, практический.

Гипотеза:биопластики – новый класс пластичных материалов, который может помочь в борьбе с пластиковым загрязнением планеты.

Актуальность исследования. В настоящее время мировое научное сообщество все острее поднимает вопрос о мировых экологических проблемах, которые возникают перед человечеством. Одна из глобальных проблем - это проблема загрязнения окружающей среды пластиком. Вторая, не менее важная проблема - это истощение мировых запасов углеводородов. Население земного шара, по прогнозам учёных, к середине 21 века достигнет 9 миллиардов человек. Технический прогресс также невозможно остановить, как и рост населения. Современному человечеству требуются комфортные условия, а большинство необходимых человеку предметов сделаны из пластика. Люди практически каждый день в повседневной жизни используют современные материалы, изготовленные из пластика: одноразовая посуда, упаковка для пищевых продуктов, детские игрушки и т.д. И чем больше мы используем пластмассовых изделий, тем меньше остаётся на Земном шаре запасов углеводородов, а также увеличивается количество использованного пластика, загрязняющего окружающую среду. В качестве замены традиционным пластмассам учёные предлагают производить и использовать биопластик. Биопластик резко сокращает расходование углеводородов и уменьшает вредное воздействие на окружающую среду. Нас заинтересовала данная проблема и в результате возникла тема нашего исследования "Биопластики на основе натуральных биоплимеров.

Основное содержание

Глава 1. Пластик и биопластик - сходства, различия, проблемы и перспективы.

1.1 Что такое пластики и полимеры

Мы окружены изделиями из пластика буквально повсюду. Однако обычный человек вряд ли хорошо представляет себе, что такое пластик и из чего его делают.

Что такое пластик?

В настоящее время пластиками, или пластмассами, называют целую группу материалов искусственного (синтетического) происхождения. Их производят химическим путём из природного газа и остатков переработки нефти. Пластики представляют собой органические вещества с длинными полимерными молекулами, которые состоят из соединённых между собой молекул более простых веществ.

Изменяя условия химической реакции (полимеризации), химики получают пластики с нужными свойствами: мягкие или твёрдые, прозрачные или непрозрачные и т.д. Пластики сегодня используются буквально во всех сферах жизни, от производства компьютерной техники до ухода за маленькими детьми [1, 2].

Как были изобретены пластмассы?

Первый в мире пластик был изготовлен в английском городе Бирмингем специалистом-металлургом А. Парксом в 1855 году: изучая свойства целлюлозы, изобретатель обработал её азотной кислотой и получил нитроцеллюлозу. Созданное им вещество изобретатель назвал собственным именем – паркезин. Паркс открыл компанию по производству паркезина, который стали называть искусственной слоновой костью. Но качество пластика было низким, и компания вскоре разорилась.

В 1899 году был изобретён полиэтилен, и интерес к новым материалам и продуктам органической химии многократно вырос. Но до середины ХХ века пластики не были популярны. Сегодня производство пластиков дает широчайший спектр бытовых и промышленных изделий

Рассматривая понятие «пластик», «пластмасса», «синтетические материалы», невозможно не затронуть понятие «полимер».

Что такое полимеры?

Полиме́ры – это вещества, состоящие из длинных, почти бесконечных, молекул из повторяющихся фрагментов (мономеров) (рис.1.1 Приложения 1).

Открытие полимеров буквально перевернуло представление людей о мире. Оказалось, что самое главное в природе - полимеры. Белки, из которых построено все живое, - полимеры. Целлюлоза, из которой состоят растения - самый распространенный природный полимер. Натуральные полимеры, т.е. те, которые встречаются в живой природе, можно назвать биополимерами [3-5].

1.1 Преимущества и недостатки традиционных синтетических пластиков

Есть у синтетических пластиков один, но очень существенный недостаток –пластик очень медленно разлагается [рис.1.2 Приложения 1]. Он практически не подвержен биоразложению, т.е. оказавшись выброшенными или оставленными в природных условиях изделия из синтетических материалов не включаются в естественные циклы переработки мусора, не превращаются микроорганизмами и другими животными-редуцентами, или деструкторами (переработчиками отходов и остатков жизнедеятельности живых организмов и человека) в набор веществ, которые снова включаются в круговорот вещества и энергии [рис.1.3 Приложения 1]. Это материалы, не поддающиеся полному биологическому разложению, они не могут быть разрушены естественными организмами и служат источником загрязнения. Даже выброшенный в предназначенное для этого место (свалку, полигон, спецконтейнер) пластиковый мусор сложно сортировать и утилизировать [11, 12].

Также они очень долго разлагаются под действием физических факторов среды – солнечного света, воды, температуры. Проходят десятки лет, прежде чем на выброшенной пластиковой бутылке появляются следы разложения. Но полного разложения не происходит – из пластика, образуется микропластик, который уже сейчас находят повсеместно, включая и самые труднодоступные места планеты, и клетки живых организмов. Ученые подсчитали, что в среднем в организм человека поступает до пять граммов микропластика в неделю (по размерам это примерно одна пластиковая карта или корпус ручки) [13].

Пластиковый мусор можно найти практически повсеместно в природе, он собирается огромными скоплениями в водоемах – реках, морях, океанах, где представляет огромную опасность для всего живого. Самый большой такой «мусорный остров», а точнее, целый материк из мусора, находится в Тихом океане. Он называется Восточный мусорный континент, или Тихоокеанский «мусороворот», или Большо́е тихоокеа́нское му́сорное пятно́. Здесь находится скопление пластика и других отходов, принесённых течениями [14].

Теперь от пластика просто некуда скрыться. Из удобного материала он превратился во врага и убийцу.

Что делать? Какие есть варианты спасения от пластика-вредителя?

Очевидно, одно из решений кроется в словах «искусственный» и «натуральный». Современный пластик – искусственный, синтетический, не «съедобен» для организмов-переработчиков мусора. Нужно заменить его пластиком натуральным. Такие есть?

1.2. Биопластики - виды и возможности

Да, пластики, подверженные биодеструкции (разложению под действием факторов живой и неживой природы), уже существуют. Они обозначаются термином «биопластики» и охватывают довольно большой объем материалов. Во всем мире ученые работают над получением материалов, обладающих свойствами пластмасс, но подвергающихся биоразложению.

Все пластики можно разделить на 4 группы и несколько подгрупп [Приложения 1]. Исходя из этой классификации, термин «биопластики» требует внимательного рассмотрения. Как видим, из растительного сырья получают не разлагаемые в природе пластики, хотя формально они "био", но, по сути, такие же, как и обычный "вечный" пластик – например, полиэтилен из этилена, полученного из натурального сырья.

К "стопроцентным", истинным пластикам относятся только биоразлагаемые пластики из природного сырья, а именно:

биополимеры на основе крахмала или целлюлозы;

биополимеры, которые получаются в процессе жизнедеятельности некоторых микроорганизмов (бактерий), например, полимолочная кислота (PLA) - один из самых дешевых и доступных в современных условиях биопластиков [15, 16].

Самое распространенное сырье для биоразлагаемых материалов, с ним работают более 30% специализированных предприятий – биополимер, запасное вещество растений – крахмал. Сам он довольно хрупкий, но если его смешать с добавками, то можно получить прочный, пластичный и водостойкий материал. Такой материал разлагается в окружающей среде, но при этом обладает свойствами пластика.

Из крахмала делают поддоны для пищевых продуктов, сельскохозяйственные пленки, упаковочные материалы, столовые приборы, сеточки для хранения овощей и фруктов и многое другое. Промышленным способом биопластик на основе крахмала получают в Европе, США, Корее, Японии, Китае, Бразилии. Производственные мощности компаний достигают 60 тыс. тонн в год полимеров на основе крахмала (в том числе модифицированного). В России также появляются новые технологии получения изделий из картофельного или зернового крахмала [17-20]

Пластик можно сделать из молока. Еще с начала 1900-х годов и до 1945 года (когда еще не было полимеров) молоко использовалось для изготовления различных пластиковых украшений и фурнитуры. Из молочного пластика (обычно называемого казеиновым пластиком) изготавливали кнопки, декоративные пряжки, бусы, авторучки, подставки для ручных зеркал, расчески, кисти и прочее. Молоко содержит белок казеин, который может быть мономером для получения полимера, который можно выделить и изготовить, к примеру, бутылку или стакан. Такие материалы уже существуют [21-23].

Также в литературе и прессе есть сообщения о биоразлагаемых изделиях (преимущественно упаковках и одноразовых предметах быта) из древесной и целлюлозной массы, мицеллия грибов, вспененной кукурузы, желатина, водорослей и других растительных источников биополимеров [24-29].

Таким образом, завершая обзор литературы, можно сказать, что идея создания биоразлагаемых материалов, обладающих свойствами пластиков, не нова. Уже в прошлом веке начали появляться способы получения и производства биопластиков из целлюлозы, крахмала и животных белков (молока). С того времени появилось множество способов, составов и возможных способов применения. Однако производство биопластиков обходится значительно дороже, чем привычных нам синтетических пластиков из продуктов переработки ископаемых (газа, угля, нефти). Тем не менее, отрасль исследований безопасных для окружающей среды и здоровья человека биопластиков активно развивается и частично внедряется в жизнь.

В практической части нашего исследования, мы получили несколько видов биопластики из биополимеров и сравнили их свойства с традиционными синтетическими пластиками.

Глава 2. Практическая часть

Практической частью нашей работы стало изготовление биопластика из натуральных биополимеров.

2.1 Получение биопластика на основе натуральных полимеров

2.1.1. Получение биопластика на основе казеина (из молока)

Регулярно помешивая, вскипятили 0,5 л молока. Сняли его с огня и добавили уксусную кислоту (соотношение молоко : уксус = 16 : 1). Перемешали смесь до максимального высаживания казеина. Медленно процедили жидкость сквозь нетканую салфетку и отжали. Переложили комок в другую салфетку и еще раз отжали. Выполняли эту операцию несколько раз для удаления излишков жидкости.

Переложили комок из казеина на вощеную бумагу и разлили в формочки, оставили остывать и загустевать. Смесь полностью загустела через двое суток. Полученные изделия оказались достаточно мягкими и пластичными [Приложение 2]

2.1.2 Получение биопластика на основе крахмала

В кастрюле смешали 1 столовую ложку крахмала (10 г), 60 мл воды, 1 чайную ложку (5 мл) глицерина, 1 чайную ложку (5 мл) уксуса.

Смеси нагревали на небольшом огне (нагреве) при постоянном помешивании до загустения. Горячую массу выкладывали на подложку и распределяли по поверхности подложки до необходимой толщины, помещали в форму и пресс-форму. После остывания оценили свойства полученного пластика [Приложение 2]

У высохших масс оценили: твердость средняя, жесткость средняя, эластичность есть, хрупкость средняя, внешний вид соответствует, усадка в норме.

2.1.3 Получение биопластика на основе желатина

В кастрюле смешали 3 чайные ложки желатина, 60 мл воды, 1/2 чайной ложки глицерина. После того, как желатин набух (через 30-40 минут), перемешали и нагрели на среднем огне, не доводя до кипения (до вспенивания). Перемешали для удаления пены и комков. Однородную массу перенесли на пергамент или в форму (пресс-форму)

У высохшей массы оценили: твердость средняя, жесткость средняя, эластичность высокая.

2.2 Влияние добавок на свойства биопластиков на основе крахмала и желатина

Влияние укрепляющих (армирующих) добавок на свойства биопластиков на основе крахмала.

В выбранную рецептуру вводили добавки, которые делали бы изделия прочными, старались сохранить гибкую структуру.

Добавки: измельченная вторичная бумага-макулатура

Соотношение биополимер: укрепляющая добавка - 1:1, 1:2. После тщательного перемешивания перенесли массу в чашку, под прессовали, придавили, разровняли и оставили до полного высыхания[16].

На основании проведенного опыта по получению биопластика из натуральных полимеров, можно сделать вывод, что полученные образцы полностью могут применяться в изготовлении биопластика, соответствуют требованиям, держат форму и удобны в использовании. Биопластики на основе крахмала, можно использовать для твердых и сыпучих продуктов, так как крахмал может частично раствориться в воде до клейкого состояния. Полученные образцы биопластики из молока и желатина наилучшим образом подходят для изготовления одноразовой посуды. Они сохраняют форму, удобны в использовании.

Альтернатива искусственным пластикам - настоящие биопластики из натуральных материалов, полностью разлагающиеся на безопасные вещества. Но пока такие истинные биопластики редкость, производство их дорого. Но направление исследований - актуальное, развивающееся. Так, например, ведутся активные исследования съедобных упаковок, посуды, одноразовых предметов из натуральных биополимеров

Глава 3. Результаты и обсуждение

Основными доступными нам действиями по решению проблемы пластикового загрязнения на сегодняшний день являются

  • раздельный сбор мусора,

  • переработка и вторичное использование пластика,

  • снижение объемов использования изделий из одноразового пластика.

  1. Проблема пластикового загрязнения планеты огромна и требует разных вариантов решения.

  2. Для изготовления предметов одноразового использования хорошо подходят биопластики, быстро разрушающиеся естественным образом (биологически при помощи микроорганизмов, бактерий, червей, насекомых и химически – сгорая до безопасных простых веществ).

  3. Биопластики можно получать на основе натуральных биополимеров, например, крахмала, желатина, казеина (белка молока), и на их основе получать безопасные для природы материалы.

  4. Самым оптимальным и лучшим вариантом для создания биопластика является биопластик на основе желатина.

  5. Изделия экологически безопасны, они доступным к изготовлению любому желающему, благодаря своим простым ингредиентам.

  6. Созданием подобных продуктов можно заняться на школьных уроках технологии, для общего развития учеников.

  7. Создали буклетики «Биопластики на основе натуральных биополимеров».

Заключение

Пластиковый мусор это глобальная проблема человечества. XXI век − это не только век высоких технологий, но и глобальных экологических проблем. Одной из них является проблема загрязнения окружающей среды различными пластиками и полиэтиленовыми пакетами. Мы в своей работе попытались рассмотреть эту проблему. предложить возможные пути решения проблемы через производство биопластиков из натуральных биополимеров. Получили образцы истинных биопластиков из натуральных полимеров и сделали вывод, что биопластики это технология будущего, нужно развивать, чтобы защитить нашу экологию.

Цель исследования достигнута: теоретически рассмотрено отличие пластика от биопластика, экспериментальным путем показано получение биопластика из натуральных продуктов, получены простые биопластики и изучены их свойства, изготовлены предметы для демонстрации. Наша гипотеза полностью подтвердилась: образцы биопластиков можно получить из натуральных простых веществ и на их основе изготавливать необходимые предметы, посуду и т.п.

Главным плюсом биоразлагаемой пластмассы является то, что она не токсична для окружающей среды и человека, что значительно упрощает утилизацию. Кроме этого, биополимеры синтезируются в относительно энергоэффективном процессе, требующем гораздо меньше энергии, чем производство пластиковых полимеров. Они помогают снизить нашу зависимость от нефти, так как классические полимеры имеют именно нефтехимическое происхождение. Наконец, биополимеры помогают сократить выбросы CO2, что способствует уменьшению изменения климата — одной из самых глобальных проблем всего человечества.

Список литературы

  1. Аракелян А.К., Серебренникова А.О. Получение биоразлагаемого полимера из картофельного крахмала // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2017. – Т. 39. – С. 3931–3935. // https://e-koncept.ru/2017/971113.htm?ysclid=lp2gj0lz2i215387791

  2. Бизнес идея: Посуда из картошки // https://www.beboss.ru/bizideas/4951-posuda-iz-kartoshki

  3. Биоразлагаемая упаковка // https://ecoplanet777.com/biorazlagaemaya-upakovka/?ysclid=lp3uzufmok8504894

  4. Буланов А. Ложка-картошка: в России создали одноразовую посуду из крахмала // https://iz.ru/913560/aleksandr-bulanov/lozhka-kartoshka-v-rossii-sozdali-odnorazovuiu-posudu-iz-krakhmala

  5. Век пластика: от паркезина до загрязнения природы // https://habr.com/ru/companies/sibur_official/articles/561878/

  6. Голованов В. Большое тихоокеанское мусорное пятно: предотвратить загрязнение планеты // https://habr.com/ru/articles/363785/

  7. Есенина Т. Молочная упаковка заменит пластик // https://infuture.ru/article/16690?ysclid=lp3v0utllq328991824

  8. Из чего делают пластик? // Образовательный портал «Дорога знаний» // https://dorogaznaniy.ru/242-iz-chego-delajut-plastik-iz-chego-delajut-plastik/

  9. История открытия полимеров // https://himija-online.ru/organicheskaya-ximiya/vysokomolekulyarnye-soedineniya/istoriya-otkrytiya-polimerov.html?ysclid=lp2mf0ism4163714512

  10. Кабашова А.Н., Белова Д.И. Технология изготовления биопластика из крахмала // «Символ науки», 2020, №12-1, с.12-13. // https://cyberleninka.ru/article/n/tehnologiya-izgotovleniya-bioplastika-iz-krahmala/viewer

  11. Костин А. Биопластики: перспективы в России // Исследование ИАЦ RUPEC, декабрь 2014, с. 4-6.

  12. Куликов Н., Виноградов Д. Водорослевой пластик // https://mycol-algol.ru/lesson/2kurs/2016-dokl/2016-10-12_03.pdf

  13. Лешина А. Пластики биологического происхождения // Химия и жизнь, 2012, №9. // http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka /431802/plastiki _biologicheskogo_proiskhozhdeniya/ 431802

  14. Лищук О. Молоко превратили в съедобную упаковку для продуков // https://nplus1.ru/news/2016/08/22/edible-pack?ysclid=lp3uxhi961157081590

  15. Новый материал поглощает углекислый газ из атмосферы // https://scientificrussia.ru/articles/novyj-material-pogloshchaet-uglekislyj-gaz-iz-atmosfery

  16. Орлов М. По кредитке в неделю: ученые рассказали, сколько микропластика мы съедаем и откуда он берется // https://naked-science.ru/article/medicine/skolko-mikroplastika-my-sedaem

  17. Романова В. Пластик из… водорослей! // https://vlv-mag.com/rubriki/nauka/vodorosleviye-biopolimeri?ysclid=lp3w5nrq4e146285916

  18. Седельников В.П. Заботливая помощница. - Киев.: Рад.шк., 1987. - с.78-92, 137-139.

  19. Смирнова Е. Ученые представили биопластик, который разлагается как банановая кожура // https://hightech.plus/2023/07/26/uchenie-predstavili-bioplastik-kotorii-razlagaetsya-kak-bananovaya-kozhura

  20. Стрельникова Л.Н. Из чего все сделано? Рассказы о веществе. Под ред. Г. Эрлиха. – М.: Яуза-пресс, 2011, с.164-167.

  21. Ученые изобрели съедобный и биоразлагаемый пластик из желатина // https://pikabu.ru/story/uchenyie_izobreli_sedobnyiy_i_biorazlagaemyiy_plastik_iz_zhelatina_8934108?ysclid=lp3vcizuh7730911377

  22. Фокара М., Нанди Р., Амдурский Н. Белки казеина как строительные блоки для производства ионопроводящих биопластиков // Journal. Mater. Chem. A, 2022, 10, 14529-14539. // https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.1b911387-65588555-44b5b939-74722d776562/https/pubs.rsc.org/en/journals/journal/ta

  23. Что такое пластик и из чего его делают? // https://www.vseznaika.org/proizvodstvo/chto-takoe-plastik-i-iz-chego-ego-delayut

  24. //https://www.snta.ru/press-center/chem-opasen-plastik-dlya-cheloveka-i-okruzhayushchey-sredy/?ysclid=lp3wza8v2e861022285

  25. https://school-herald.ru/ru/article/view?id=1276

Приложение 1.

Схемы и рисунки к теоретической части (главе 1).

Приложение 2.

Материалы практической части исследования

Буклет

Просмотров работы: 51